DE3736481A1 - Verfahren und einrichtung zur ermittlung des energieinhaltswertes von elektrochemischen energiespeichern - Google Patents
Verfahren und einrichtung zur ermittlung des energieinhaltswertes von elektrochemischen energiespeichernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Energieinhaltswertes
von elektrochemischen Energiespeichern
im Lade- und/oder Entladebetrieb, durch die Messung der Klemmenspannung
eines Energiespeichers. Ferner bezieht sich die Erfindung
auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Derartige Energiespeicher sowohl als Einzelzellen als auch zu
einer Batterie beliebig zusammengeschaltete Zellen dienen in
vielfältiger Art und Weise als Traktions- und Starterbatterien
für Land-, Luft- und Wasserfahrzeuge, sowie der Energieversorgung
für eine Vielzahl von tragbaren und stationären Anlagen,
von Maschinen- und Gerätesteuerungen, von Meßgeräten, Signal-
und Warnanlagen, und für solarelektrisch betriebene Speicher.
In vielen der genannten Anwendungsfälle wird zur Vermeidung einer
Betriebsunterbrechung der durch einen Energiespeicher betriebenen
Einrichtungen insbesondere eine kontinuierliche hinreichend
genaue Ermittlung und Überwachung des Energieinhalts derartiger
Energiespeicher erforderlich, denn nur mit einer genauen
Kenntnis des jeweiligen Energieinhaltes kann die Kapazität eines
Energiespeichers voll ausgenutzt werden und eine für einen Energiespeicher
schädliche Überschreitung oder Unterschreitung bestimmter
Ladungs- oder Entladungsgrenzen vermieden werden. Dabei
soll sichergestellt sein, daß das Verfahren mit einfachen Mitteln
durchführbar ist und die Einrichtung zur Ermittlung des
Energieinhaltswertes übersichtlich und zweckmäßig bedienbar ist.
Aus der WO 86/00418 wurde ein Verfahren zur Überwachung des Ladezustandes
von aufladbaren Batterien, insbesondere Nickel-Cadmium-
Akkumulatoren, wobei ein einem bestimmten Ladezustand entsprechender
Referenzwert gespeichert, die Klemmenspannung, die Stromstärke
und die Zeit während jedes Lade- und Entladezyklus der Batterie
gemessen und unter Berücksichtigung der Stromrichtung in eine
der zugeführten bzw. verbrauchten Energiemenge entsprechende
Größe umgesetzt werden, aus der, ausgehend von dem Referenzwert,
die Ladezustands-Istwerte berechnet werden, wobei die Änderungsgeschwindigkeit
der Klemmenspannung im Lade- und Entladezyklus
überwacht wird, wobei nach Durchlaufen einer Phase relativ gleichmäßiger
und geringer Spannungsänderungsgeschwindigkeit wenigstens
ein Zeitpunkt bestimmt wird, bei dem eine charakteristische stärkere
Spannungsänderungsgeschwindigkeit auftritt und wobei der berechnete
Ladezustands-Istwert zu diesem oder einem definierten
verzögerten Zeitpunkt auf den vorgegebenen Referenzwert abgeglichen
wird.
Zur Durchführung dieses Verfahrens ist dort eine Einrichtung mit
Anordnungen zur Messung der Klemmenspannung der Batterie, der
Richtung und Amplitude des Lade- bzw. Entladestroms und der Batterietemperatur,
eine programmgesteuerte Recheneinheit, die mit
den Meßanordnungen verbunden und so gesteuert ist, da sie die
Änderungsgeschwindigkeit der Klemmenspannung während aller Lade-
und Entladezyklen der Batterie überwacht und einen Ladezustands-
Istwert dann bestimmt, wenn die Spannungsänderungsgeschwindigkeit
nach einer im wesentlichen konstanten Phase eine stärkere
Änderung erfährt, ein Speicher, der zur Speicherung von Referenzwerten
und der in der Recheneinheit entwickelten Istwerte der zugeführten
bzw. verbrauchten Energiemengen mit der Recheneinheit
verbunden ist, und eine Schnittstellen- und Treiberschaltung zur
Kopplung der Recheneinheit mit peripheren Eingabe- und Ausgabegeräten,
vorgesehen.
Dieses Verfahren ist mit dem erheblichen Nachteil behaftet, daß
dort zur Ermittlung des Ladezustandes u. a. eine Messung des Lade-
bzw. Entladestroms erforderlich ist und daß zu diesem Zweck in
den Stromkreis der Batterie ein Präzisionswiderstand geschaltet
werden muß, an dem der erforderliche diesbezügliche Referenzwert
ermittelt wird. Außerdem ist der erforderliche erhebliche meßtechnische
Aufwand von Nachteil, der einen wirtschaftlichen Einsatz
nur in entsprechenden Großanlagen sinnvoll erscheinen läßt.
Auch ein, aus der DE-OS 34 16 849 bekanntgewordenes Verfahren
mit einer Anordnung zum Messen des Ladezustandes von Batterien
benutzt zur Approximierung des Ladezustandes der zu messenden
Batterieanlage ein initialisierter Amperstundenzähler, ausgehend
von einer vollständig aufgeladenen Batterie, wobei das Ausgangssignal
des Zählers dem wahren Ladezustand der Batterieanlage eng
genug folgt.
Dieses Verfahren ist ebenfalls mit dem Nachteil des Eingriffs in
den Stromkreis der Batterieanlage behaftet, zumal der dort an einem
Meßshunt ermittelte Strom nur bei einer hinreichend konstanten
Belastung der Batterie eine Berechnung zusammen mit anderen
Reaktionswerten hinreichend zuläßt.
Außerdem ist auch bei dem, aus der DE-OS 29 52 835 bekannten, Verfahren
zur Bestimmung der Kapazität eines Akkumulators eine Erfassung
des Stromflusses durch den Akkumulator erforderlich, sodaß
auch hier ein Eingriff in den Stromkreis erforderlich ist, der mit
den bereits geschilderten Nachteilen behaftet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, zur Ermittlung des
Energieinhaltswertes oder Wirkungsgrades in Prozent, oder in einer
Leistungseinheit, oder in einer Wegstrecke, oder in einer
Zeiteinheit oder einem Arbeitstakt oder dergl. Einheit zu schaffen,
das nur mit einer Messung der Klemmenspannung eines Energiespeichers
und unter Kenntnis der Entlade-Charakteristik des zu
messenden Energiespeichers durchgeführt werden soll. Dabei soll
sichergestellt sein, daß die Einrichtung zur Ermittlung des Energieinhaltswertes
einfach und wirtschaftlich im Aufbau und zweckmäßig
ist.
Diese Aufgabe der Erfindung wird gemäß dem kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 gelöst und in den Unteransprüchen sind nicht
nur weitere wesentliche Merkmale des Verfahrens beansprucht, sondern
auch verschiedene Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens
gekennzeichnet.
Vorteilhaft bei diesem Verfahren und den zur Durchführung dieses
Verfahrens beanspruchten Einrichtungen zur Ermittlung des Energieinhaltswertes
eines Energiespeichers ist nicht nur, daß kein elektrischer
Eingriff in den Laststromkreis des Energiespeichers erforderlich
ist, daß dort die Genauigkeit des ermittelten Energieinhaltswertes
unabhängig von der Belastung des Energiespeichers
ist, daß das Alter und die Umgebungstemperatur des Energiespeichers
sich im Wert der gemessenen Klemmenspannung u. a. mit ausdrückt und
im ermittelten Energieinhaltswert voll berücksichtigt ist, daß der
noch zur Verfügung stehende Energieinhaltswert und/oder die restliche
Entladezeit vorausschauend angezeigt werden kann, insbesondere
unter der Annahme, daß sich die durchschnittliche Belastung
des Energiespeichers seit dem Beginn der Entladung nicht wesentlich
ändern wird sondern auch, daß der im wesentlichen einfache
apparatetechnische Aufwand im wirtschaftlichsten Falle und mit ausreichender
Genauigkeit nur aus einem spannungsmessenden Instrument
bestehen kann, das mit einer speziellen Skala ausgestattet ist,
dessen Meßbereichseinteilung vom Bezugswert bzw. vom entsprechenden
Funktionswert bestimmt ist.
Vorteilhaft ist ferner die einfache Gewinnung des Bezugswertes
bzw. des diesem entsprechenden Funktionswertes, insbesondere aus
den statischen Kennlinien, insbesondere den Entladekennlinien, im
Nennzustand eines Energiespeichers, wobei diese Kennlinien zusammen
mit den zu diesen Kennlinien gehörenden Summen- oder Entladeströmen
in einem Rechner abgespeichert sind, aus denen ein
bestimmter Funktionswert durch Interpolation ermittelt wird und
auf den sich die gemessene Klemmenspannung bei der Ermittlung des
Energieinhaltswertes bezieht. Vorteilhaft ist in diesem Falle
ein speziell entwickeltes Rechnerprogramm unter der Benutzung
des Neville'schen Algorithmus zur Bestimmung des Funktionswertes
aus den Einzelbezugswerten auf den abgespeicherten Kennlinien,
inform von statischen Entladekennlinien die den, für einen zu
messenden Energiespeicher typischen, Unterlagen des Energiespeicher-
Herstellers entnommen werden können.
Vorteilhaft ist außerdem, daß der Bezugswert bzw. ein diesem
entsprechender Funktionswert aus einem momentan fließenden Summenstrom
des Energiespeichers ermittelt werden kann. Dabei kann
dieser Summenstrom unter der Verwendung einer Hall'schen Meßsonde
unmittelbar vor der Ermittlung des Energieinhaltswertes, ohne den
Einsatz eines Summenstrom-Meßwiderstandes im Laststromkreis eines
Energiespeichers, gemessen werden, aus dem über den Bezugswert
der erforderliche Funktionswert errechnet wird.
Wie das Verfahren und seine Durchführung mit entsprechenden Einrichtungen
im einzelnen gedacht ist, wird anhand einiger Funktionsbeispiele
und einiger Beispiele von Einrichtungen zur Ermittlung
des Energieinhaltswertes in den Zeichnungen dargestellt und im
folgenden näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 die Darstellung eines Funktionsdiagramm mit einem, einem bestimmten
einzelnen Bezugswert entsprechenden Funktionswert,
Fig. 2 eine Darstellung eines Funktionsdiagramms mit mehreren
Summenstrom-/Entladestrom-Kennlinien mit einzelnen Bezugswerten
und einem daraus interpolierten Funktionswert,
Fig. 3 eine Darstellung eines Funktionsdiagramms mit einer Schar
statischer Summenstrom-/Entladestrom-Kennlinien wie sie
den technischen Unterlagen eines Energiespeichers entsprechen, die vom Hersteller eines Energiespeichers geliefert
sind,
Fig. 4 eine Darstellung eines Funktionsdiagramms mit der Klemmenspannung
U KL als Funktion des relativen Energieinhaltswertes
EIW in Prozent für verschiedene Summen-/Entladeströme
EI.
Fig. 5 eine Darstellung eines Funktionsdiagramms mit der Klemmenspannung
U KL als Funktion des Summenstroms-/Entladestroms
EI für verschiedene relative Energieinhaltswerte EIW in
Prozent,
Fig. 6 eine Darstellung eines räumlichen Funktionsdiagramms mit
der Klemmenspannung U KL als Funktion des Energieinhaltswertes
EIW in Prozent für verschiedene Bezugswerte BW und
entsprechende Funktionswerte FW,
Fig. 7 ein Blockschaltbild eines einfachsten, durch einen Energiespeicher
versorgten, Laststromkreises,
Fig. 8 eine schaubildliche Darstellung einer Einrichtung zur Ermittlung
des Energieinhaltswertes EIW mit zwei spannungsmessenden
Instrumenten,
Fig. 9 eine schaubildliche Darstellung einer Einrichtung zur Ermittlung
des Energieinhaltswertes EIW mit nur einem spannungsmessenden
Instrument,
Fig. 10 eine Darstellung eines Instrumentes für eine Einrichtung
nach Fig. 8 oder 9 mit einer Wechselskala,
Fig. 11 eine Ansicht eines Meßgerätes u. a. zur Anzeige des Energieinhaltswertes
EIW und
Fig. 12 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Ermittlung des
Energieinhaltswertes EIW mit einem Rechner mit Halbleiterspeicher
und mit Anzeige-, Signal- und Ein-/Ausgabevorrichtungen
im Einsatz an einem, durch einen Energiespeicher betriebenen
Gerät.
Das, in der Fig. 1 dargestellte, Funktionsdiagramm mit der Klemmenspannung
U KL als Funktion des Energieinhaltswertes EIW, in Prozent,
zeigt einen einzigen bestimmten Bezugswert BW, der aus einem angenommenen,
berechneten oder gemessenen, in einer bestimmten Zeiteinheit
dt und in einem bestimmten Betriebsspannungsbereich BSB fließenden
Summenstrom EI und/oder aus Reaktionswerten des Energiespeichers,
wie dem Innenwiderstand, der Innentemperatur oder der Säuredichte,
gebildet ist und der in dieser Funktion dem Funktionswert
FW entspricht, auf den sich die gemessene Klemmenspannung U KL
bei der Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren bezieht.
Der Summenstrom EI kann dort die Summe aus einem oder mehreren zu
berücksichtigenden Entladeströmen und/oder aus einem Ladestrom
sein, sofern ein wiederaufladbarer Energiespeicher vorliegt.
Es ist jedoch auch vorgesehen, daß das vorliegende Verfahren auch
bei nichtaufladbaren Energiespeichern eingesetzt wird.
Unter dem Begriff Energiespeicher sind deshalb sowohl wiederaufladbare,
als auch nichtaufladbare Einzelzellen oder auch beliebig
zu einer Batterie zusammengeschaltete Zellen zu verstehen.
Der Energieinhaltswert EIW im Energieinhaltsbereich EIB kann, wie
bereits erwähnt, ein prozentual bezogener Wert sein. Es ist jedoch
auch daran gedacht, den Energieinhaltswert EIW als Kapazitätswert,
oder als Wegstrecke, oder als ein Arbeitstakt, oder als ein zeitbezogener
Wert zu ermitteln, wenn dies anwendungszweckmäßig ist und
aus diesem Wert über den momentanen Energieinhalt eines Energiespeichers
hinaus auch eine anwendungsbezogene Leistungsaussage und/oder
eine Steuerungs- bzw. eine Signalwirkung erzielt werden soll.
So ist es nach dem Verfahren möglich, daß mit einer entsprechenden
Einrichtung, wie sie im folgenden noch näher gezeigt und erläutert
wird, und in der ein bestimmter einzelner Bezugswert BW, der im wesentlichen
dem Funktionswert FW im Diagramm der Fig. 1 entspricht,
bei einem bestimmten gemessenen Wert der Klemmenspannung U KL eines
Energiespeichers, ein bestimmter Energieinhaltswert EIW für den gemessenen
Energiespeicher ermittelt wird. So kann mit einer solchen Einrichtung,
die das vorliegende Verfahren in seiner einfachsten Form
nutzt, die Entladung oder die Ladung des Energiespeichers vielseitig
überwacht werden.
Dabei beschränkt sich das Verfahren nicht auf die Verwendung nur
eines einzelnen Bezugswertes BW, sondern es ist vorgesehen, mehrere
Bezugswerte BW, mit zueinander unterschiedlichen Summenströmen EI
einzubeziehen, wobei aus diesen verschiedenen Bezugswerten BW ein gemeinsamer
Funktionswert FW errechnet wird und auf den die Funktion
U KL = f (EIW, EI) anwendbar ist.
Wie die Fig. 2 zeigt, können einzelne bestimmte Bezugswerte BW auf
statisch ermittelten Summenstrom- EI-, insbesondere Entladestrom-
Kennlinien 2 liegen. Aus diesen Einzelbezugswerten EBW wird ein gemeinsamer
Funktionswert FW durch Interpolation der Einzelbezugswerte EBW errechnet,
zur Erfüllung der Funktion U KL = f (EIW, EI), und zur
Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW eines Energiespeichers, aus
der Messung der Klemmenspannung U KL .
Der ermittelte Energieinhaltswert EIW kann dort zum Ausdruck bringen,
wieviel elektrische Energie, beispielsweise in Prozent, im Energiespeicher
bereits verbraucht, oder wieviel Energie noch vorhanden
ist. Dabei beginnt die Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW immer
mit einem 100%igen Rest-Energieinhaltswert EIW, bezogen auf einen
bestimmten Betriebsspannungsbereich BSB des Energiespeichers.
Um den Energieinhaltswert EIW eines Energiespeichers während der
Entladung und/oder der Ladung nur durch die Messung der Klemmenspannung
U KL des Energiespeichers zu ermitteln, werden, nach einer
weiteren vorteilhaften Möglichkeit des Verfahrens, die statischen
Entladekennlinien 2 als Bezugswerte herangezogen. Bei diesen statischen
Entladekennlinien 2, wie sie von den Herstellern von Energiespeichern
in den technischen Unterlagen inform eines Kennliniendatenblattes
herausgegeben werden, ist die Klemmenspannung U KL als Funktion
der Entladezeit in (sec, min, h) für verschiedene Entladeströme
gewählt, wie dies aus der Fig. 3 ersichtlich ist. Diese Entladekennlinien
2 repräsentieren den Nennzustand eines Energiespeichers.
Zur Berechnung des Energieinhaltswertes EIW wird dort wiederum eine
Form gewählt, bei der die Klemmenspannung U KL als Funktion der relativen
Kapazität K, in Prozent, für verschiedene Summenströme EI ist, entspr.
U KL = f (k, EI). Wie die Fig. 4 zeigt ist in dieser Funktion die
x-Achse invertiert (100%-k).
Es läßt sich noch eine andere Darstellung aus der Fig. 3 ableiten,
indem für einige relative Kapazitäten (k) die Klemmenspannung U KL
über dem Summenstrom EI aufgetragen ist, U KL = f (EI, k), wie dies die
Fig. 5 zeigt. Diese Beziehung wird benötigt, um aus der gemessenen
Spannung den Summenstrom EI berechnen zu können.
Es ist bei der Berechnung des Energieinhaltswertes EIW erforderlich,
daß die verschiedenen Betriebszustände eines Energiespeichers, wie
der Ladezustand oder Ladegrad bei Beginn der Entladung, das Alter
und die Elektrolyttemperatur, berücksichtigt werden.
Die Rechnung beginnt mit 100% Restkapazität. 100% Restkapazität
können je nach Ladezustand eines Energiespeichers am Anfang der Entladung
verschiedene Kapazitäten bzw. Energieinhaltswerte EIW bedeuten.
Diese Restkapazität bzw. der Restenergieinhaltswert EIW in
Prozent und die gemessene Klemmenspannung U KL bestimmen einen Bezugswert
BW im Kennlinienfeld, der einem angenommenen Summen- oder
Entladestrom entspricht. Dieser Strom stimmt in fast allen Fällen
nicht mit dem meßbaren wirklichen Summen- oder Entladestrom überein.
Nur wenn sich der Energiespeicher genau im Kennlinien- oder
Nennzustand befindet, sind diese beiden Vergleichsströme übereinstimmend.
Der angenommene Summen- oder Entladestrom wird mit den,
dem momentanen Rest-Energieinhaltswert EIW oder der Restkapazität
entsprechenden Stützpunkten aus dem Kennlinienfeld der Fig. 4 und
der aktuellen Klemmenspannung U KL durch Interpolation berechnet,
wie das folgende Beispiel zeigt:
Der momentane relative Restenergieinhaltswert EIW oder die relative
Restkapazität sei k = 25%, daraus folgt wegen Invertierung
k₁ = 100% - 25% = 75%. Dieser Wert ergibt Schnittpunkte
mit den drei Kennlinien
U KL 1 = 1,98 V; EI₁ = 3,15 A
U KL 2 = 1,90 V; EI₂ = 18,9 A
U KL 3 = 1,45 V; EI₃ = 441 A
U KL 2 = 1,90 V; EI₂ = 18,9 A
U KL 3 = 1,45 V; EI₃ = 441 A
Diese Schnittpunkte gleich Bezugswerte BW sind Stützpunkte einer
Kennlinie 2 in Fig. 4.
Mit der aktuell gemessenen Klemmenspannung U KL von beispielsweise
U KL = 10,3 V folgt wegen der sechs (6) Zellen des Energiespeichers
1 eine Klemmenspannung U KL pro Zelle von
U z = U KL /6 = 1,717 V.
Mit diesem Argument wird der angenommene Summenstrom EI interpoliert,
sodaß ein Wert von EI = 150 A erzielt wird.
Mit diesem berechneten Summenstrom EI wird die während derDauer T
des Meßintervalls verbrauchte absolute Kapazität berechnet, sodaß
K v = EI × T = 150 A × 10 sec = 0,417 Ah
ist.
Der zur Verfügung stehende maximale Energieinhaltswert EIW oder die maximale Kapazität ist beim Energiespeicher 1 von der Belastung abhängig.
Die Nennkapazität kann nur bei Belastung mit dem Nennstrom
entnommen werden. Der erreichbare Entladegrad, der bei Nennbelastung
gleich eins (1) ist, fällt bei großen Entladeströmen bis auf
Werte von 0,2 ab. Dies ist auf ein Blockierungseffekt infolge der
zu geringen Diffusionsgeschwindigkeit des Elektrolyten zurückzuführen.
Der konzentrierte Elektrolyt zwischen den Platten des Energiespeichers
kann nicht schnell genug in die Poren der Platten nachdiffundieren.
Es kommt zu einer Säureverarmung in den Poren der Platten.
Damit steigt der Elektrolytwiderstand stark an, die Spannung
an den Klemmen bricht zusammen und es kommt zu einem frühzeitigen
Entladeschluß.
Dem Programm zur Berechnung des Energieinhaltswertes EIW sind also
die maximalen Kapazitätswerte für verschiedene Entladeströme, etwa
die neun (9) Datenblattkennlinien wie aus der Fig. 3 ersichtlich,
bekannt. Der dortige Entladestrom der Kennlinien 2 multipliziert
mit der maximal erreichbaren Entladezeit ergibt die maximale Kapazität
K max . Mit diesen Stützpunkten und insbesondere
unter Ausnutzung des Neville'schen Algorithmus wird eine
weitere Kennlinie interpoliert und die zum angenommenen Summen-
oder Entladestrom von 150 A gehörige maximale Kapazität mit
K max = 22 Ah berechnet.
Das Verhältnis von k v zu K max ergibt die während der Dauer des
Meßintervalls verbrauchte relative Kapazität, welche nun von der
zuletzt berechneten relativen Restkapazität abgezogen eine neue
Restkapazität ergibt. Entsprechend ist
k = 25% - (0,417/22) × 100% = 23,1%.
Diese Berechnung wiederholt sich, bis eine gewählte untere
Grenze, beispielsweise 20% Restkapazität, unterschritten ist.
Gemäß dem vorliegenden Verfahren wird in Abhängigkeit vom Betriebszustand
und der Belastung des Energiespeichers 1 der richtige Zeitpunkt
berechnet, wann keine Ladung mehr entnommen werden darf,
um Tiefentladungen zu vermeiden. Die Einflußgrößen wie die Alterung,
die Elektrolyttemperatur und der Ladegrad drücken sich in der Größe
der Klemmenspannung U KL und somit auch im berechneten
Funktionswert FW aus.
Zur Verdeutlichung dieser Tatsache werden zwei zueinander unterschiedliche
Fälle aufgezeigt:
- 1. Ist der Energiespeicher 1 neu und/oder vollgeladen und/oder die Elektrolyttemperatur höher als die Nenntemperatur, dann wird aufgrund der dort gemessenen höheren Klemmenspannung U KL ein kleinerer Funktionswert berechnet, als dies im Nennzustand der Fall wäre.
- 2. Ist der Energiespeicher 1 nicht mehr neu und/oder nicht vollgeladen und/oder die Elektrolyttemperatur niederer als die Nenntemperatur, dann wird aufgrund der dort gemessenen niedereren Klemmenspannung U KL ein größerer Funktionswert berechnet.
Im Fall 1. kann länger entladen werden als unter den Bedingungen
des Nennzustandes oder denen des Falles 2.
Aus der Fig. 6 ist ein räumliches Funktionsdiagramm ersichtlich,
dort kann auf der dargestellten Oberfläche jeder beliebige Funktionswert
FW liegen. BW bezeichnet die Bezugswerte, EIW die Achse
für den Energieinhaltswert in Prozent, U KL die Funktionsachse für
die Klemmenspannung.
Die Fig. 7 zeigt einen einfachen Stromkreis mit einem Energiespeicher
1 und einem Verbraucher 6. 4 bezeichnet ein Instrument zur
unmittelbaren Ermittlung des Energieinhaltswertes durch die Messung
der Klemmenspannung U KL an den Klemmen 7 des Energiespeichers 1.
In der einfachsten Ausführung kann eine Einrichtung zur Ermittlung
des Energieinhaltswertes EIW aus einem spannungsmessenden Instrument
4, insbesondere einem Zeigerinstrument, bestehen, das, wie
die Fig. 9 zeigt, mit einer Skala 3 ausgestattet sein kann, die
mit mehreren Bereichen 8 versehen ist, die zueinander unterschiedlichen
Summenströmen EI, bzw. entsprechenden Bezugswerten BW /
Funktionswerten FW entsprechen können. Der jeweilige, der Messung
zugrunde liegende Summenstrom EI, bzw. Bezugswert/Funktionswert
FW kann dort von einem optischen Signal 9 signalisiert werden.
Es kann vorgesehen sein, daß die einzelnen Meß-Bereiche 8 manuell
mechanisch oder selbsttätig elektronisch vorwählbar sind, wie die
Fig. 10 zeigt.
Es ist auch daran gedacht mit zwei Instrumenten 4 eine Bestimmung
des Energieinhaltswertes EIW auf der Basis einer Messung der Klemmenspannung
U KL vorzunehmen, wie die Fig. 8 zeigt. Dort wird mit
dem zweiten Zeigermeßwerk die optische Anzeige nach der Ausführung
gemäß der Fig. 9 ersetzt. Der Schnittpunkt der beiden Zeiger
10 zeigt den Energieinhaltswert EIW auf dem jeweils gültigen Bereich
8 an.
Die Fig. 11 zeigt ein Meßgerät für ein Elektrofahrzeug mit einer
analogen Anzeigevorrichtung an einer in Prozent geeichten Skala 3,
an der die prozentuale Restkapazität k abgelesen werden kann. In
diesem Meßgerät kann außerdem die Uhrzeit 11 und/oder die Betriebsstunden
12 und/oder die Zyklenzeit 13 angezeigt werden. Weitere
Anzeigen 14 für Zellen-, Außen-, Motortemperatur können vorgesehen
sein. Derartige Meßgeräte können in Elektrofahrzeugen allgemein,
insbesondere in elektrisch angetriebenen Gabelstaplern nützlich
sein. Die Anzeigen können in digitaler Form erfolgen. Die gesamte
geräteseitige Skala 3.1 kann insbesondere ein LCD-Anzeigemodul sein.
Aus der Fig. 12 ist ein Blockschaltbild einer elektronischen, rechnergesteuerten
Einrichtung zur Ermittlung des Energieinhaltswertes
EIW ersichtlich. 11 bezeichnet einen Energiespeicher mit einer Last
6 im Stromkreis. 15 bezeichnet den elektronischen Teil der Einrichtung
mit einer Stromversorgung 16 zur Versorgung der Einrichtung,
mit einem Analog-Digital-Wandler 17 zur Aufbereitung der gemessenen
Klemmenspannung U KL , dessen Informationen über einen Datenbus 19
der Zentraleinheit CPU zugeführt werden, die auf das Befehlsregister
mit den abgespeicherten Bezugswerten von mindestens drei Kennlinien
2 inform von Einzelbezugswerten EBW in der Berechnung des
Energieinhaltswertes EIW zurückgreift. Im RAM werden die berechneten
Werte in Prozent, in einer Zeiteinheit, in Arbeitstakten, in
einer Leistungseinheit, abgespeichert. Über eine Schnittstelle 20
sind Ein-/Ausgabegeräte 21, wie eine Tastatur zur Dateneingabe, ein
Magnetkartenleser zur Dateneingabe, ein optoelektronischer Leser
zur Dateneingabe, ein Drucker zur Datenausgabe, ein Koordinatenschreiber
zur Datenausgabe. Außerdem sind an dieser Schnittstelle
20 Anzeigeeinrichtungen 22 zur unmittelbaren Anzeige von Aus- und/oder
Eingabewerten, anschließbar. Desweiteren können dort optische
und/oder akustische Signalgeber 23 angeschlossen werden, welche insbesondere
bei einem Energieinhaltswert von null im Energiespeicher
1 signalisieren.
Die elektronische Einrichtung nach dem Blockschaltbild der Fig. 12
beschränkt sich nicht auf die dort gezeigte und beschriebene Hardware,
sondern ist sowohl hinsichtlich des Festwertspeichers ROM als
auch des Schreib-Lese-Speichers RAM beliebig, den Erfordernissen
entsprechend, erweiterbar. So ist es insbesondere vorgesehen, daß die Einzelbezugswerte EBW der statischen Kennlinien 2 aus dem Datenblatt
nach Fig. 3 inform einer oder mehrerer rechteckiger Matrizen im Speicher
ROM abgelegt sind, und daß dort die abgespeicherten Spalten
dem Energieinhaltswert EIW, insbesondere in Prozent, und die abgespeicherten
Zeilen den Einzelbezugswerten EBW der Kennlinien 2 entsprechen.
Dabei ist es vorgesehen, daß die Einzelbezugswerte EBW
zur Bildung eines Funktionswertes FW in beliebiger Anzahl für die
jeweilige spezifische Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW berechnet werden können.
Das vorliegende Verfahren und die erwähnten Einrichtungen eignen
sich nicht nur zur Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW von
elektrochemischen aufladbaren oder nicht aufladbaren Energiespeichern,
sondern auch zur Ermittlung des Energieinhaltswertes von
statischen Energiespeichern, wie dies Kondensatoren zum Speichern
einer elektrischen Ladung darstellen.
Die bereits erwähnten Vorteile des Verfahrens und der dort zur
Durchführung des Verfahrens erwähnten Einrichtungen, wonach kein
Eingriff in den Laststromkreis erforderlich ist, die Genauigkeit
des erzielten Ergebnisses unabhängig von der Belastung ist, das
Alter eines Energiespeichers, seine Elektrolyttemperatur und der
Ladegrad sich in der Spannungslage der gemessenen Klemmenspannung
ausdrückt, wo in Abhängigkeit von der Belastung der unterschiedliche
Entladeschluß berücksichtigt werden kann und die noch zur
Verfügung stehende Entladezeit - unter der Annahme, daß sich die
durchschnittliche Belastung seit Beginn der Entladung nicht wesentlich
ändern wird - vorausschauend angezeigt werden kann und wo
die Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW zum Entladeschluß hin
genauer wird, können auch erzielt werden, wenn zur Ermittlung des
Energieinhaltswertes EIW neben der Messung der Klemmenspannung U KL
auch eine momentane Summenstrommessung unter Ausnutzung des Hall-
Effektes durchgeführt wird, welche keinen direkten Eingriff in den
Laststromkreis erfordert.
Claims (15)
1. Verfahren zur Ermittlung des Energieinhaltswertes (EIW) von
elektrochemischen Energiespeichern (1) durch die Messung der Klemmenspannung
(U KL ) eines Energiespeichers (1), gekennzeichnet
durch mindestens einen Bezugswert (BW), der aus einem,
in einer bestimmten Zeiteinheit (dt) und in einem bestimmten Betriebsspannungsbereich
(BSB) im Energiespeicher (1) fließenden, Summenstrom
(EI) und/oder aus Reaktionswerten des Energiespeichers (1),
wie dem Innenwiderstand, der Innentemperatur oder der Säuredichte,
gebildet ist, daß dieser Bezugswert (BW) in Abhängigkeit von einer
bestimmten Klemmenspannung (U KL ) im Betriebsspannungsbereich (BSB)
und einem bestimmten Energieinhaltswert (EIW) in einem Energieinhaltsbereich
(EIB) einen Funktionswert (FW) darstellt, und daß die
gemessene Klemmenspannung (U KL ) bezogen auf den Funktionswert (FW)
einem bestimmten Energieinhaltswert (EIW) im Energieinhaltsbereich
(EIB) entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugswert
(BW) eine ausgewählte oder berechnete Größe des Summenstroms
(EI) und/oder der Reaktionswerte ist.
3.Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der, aus dem Bezugswert (BW) ermittelte, Funktionswert (FW) auf einer,
dem Energiespeicher (1) typischen, Kennlinie (2) liegt, deren
Verlauf einem angenommenen Summenstrom (EI), insbesondere einem
Entladestrom, eines Energiespeichers (1) im Nennzustand entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionswert
(FW) auf der Kennlinie (2) durch die gemessene Klemmenspannung
(U KL ) und einen relativen Energieinhaltswert (EIW) bestimmt
ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Funktionswert (FW) einer momentanen, insbesondere angenommenen,
Summenstrom-(EI)-größe entspricht.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Bezugswert (BW) aus Einzelbezugswerten (EBW) gebildet ist,
daß die Einzelbezugswerte (EBW) jeweils auf zueinander unterschiedlich
verlaufende Kennlinien (2) in einem Kennlinienfeld eines im
Nennzustand befindlichen Energiespeichers (1) bezogen sind, und daß
der Funktionswert (FW) durch Interpolation der Einzelbezugswerte
(EBI) berechnet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Energieinhaltswert (EIW) im Energieinhaltsbereich (EIB) der
Funktion U KL = f (EIW, EI), als ein prozentual bezogener Wert, oder
als ein Kapazitätswert, oder als eine Wegstrecke, oder als ein Arbeitstakt,
oder als ein zeitbezogener Wert bemessen ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Energieinhaltswert (EIW) eines Energiespeichers (1) auf der
Skala (3) eines, die Klemmenspannung (U KL ) des Energiespeichers (1)
messenden Instrumentes (4) ablesbar ist, wobei die Einteilung des
Energieinhaltsbereichs (EIB) auf der Skala (3) vom Bezugswert (BW)
bzw. vom Funktionswert (FW) bestimmt ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
Instrument (4) mit mehreren, auf verschiedene Bezugswerte (BW) bzw.
entsprechenden Funktionswert (FW) bezogene, Skalen (3) für den
Energieinhaltswert (EIW) versehen ist, und daß die einzelnen Meßbereiche
der Skalen (3), insbesondere mit einer mechanisch oder mit
einer elektronisch arbeitenden, Meßbereichsumschaltung anwählbar
sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Energieinhaltswert (EIW) an einem, die Klemmenspannung (U KL )
des Energiespeichers (1) messenden digital anzeigenden, insbesondere
elektronischen, Instrument (5) angezeigt wird, und daß die einzelnen,
vom Bezugswert (BW) bzw. einem entsprechenden Funktionswert (FW) bestimmten
Meßbereiche des Instrumentes (5) manuell oder selbsttätig umschaltbar
sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Bestimmung des Bezugswertes (BW) bzw. eines entsprechenden Funktionswertes
(FW) mindestens drei Kennlinien (2) gebildet aus Einzelbezugswerten
(EBW), zusammen mit den zu diesen drei Kennlinien (2)
gehörenden Summenströmen (EI) in einem Rechner, einem Computer, abgespeichert
sind, und daß zur Darstellung der Abspeicherung der
Kennlinien (2) im Rechner die Klemmenspannung (U KL ) als Funktion
des Energieinhaltswertes (EIW), insbesondere in der Form der prozentualen
Restkapazität, für verschiedene Summenströme (EI) bzw. Entladeströme, gemäß U KL = f (EIW, EI), vorgesehen ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einteilung der x-Achse für die Abspeicherung der Funktion U KL = f (EIW, EI)
die den Energieinhaltsbereich (EIB) darstellt, in der Form (100% - k)
invertiert ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einzelbezugswerte (EBW) der Kennlinien (2) inform einer
oder mehrerer rechteckiger Matrizen im Speicher des Rechners abgelegt
sind.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
abgespeicherten Zeilen den Einzelbezugswerten (EBW) der Kennlinien
(2) und die abgespeicherten Spalten dem Energieinhaltswert (EIW),
insbesondere in Prozent des Energieinhaltswertes (EIW), entsprechen.
15. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einzelbezugswerte (EBW) zur Bildung eines Funktionswertes
(FW) in beliebiger Anzahl für die jeweilige spezifische Ermittlung des
Energieinhaltswertes (EIW) berechnet werden.
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